无人飞机影像大比例尺成图方案研究-科研项目立项申请书.doc

甘肃煤田地质局科研项目立项申请书项 目 名 称：固定翼无人飞机影像大比例尺成图方案研究 项目承担单位：甘肃煤田地质局综合普查队 申 报 日 期：二一三年元月三十一日一、立项依据近年来，随着经济建设的高速发展，地表形态发生着快速的变化，很多行业迫切需要实现地理空间数据的快速获取与实时更新。航空摄影是快速获取地理信息的重要技术手段，在空间信息的获取与更新中起着不可替代的作用。随着无人机与数码相机技术的出现与发展，基于无人机平台的数字航摄技术已显示出其独特的优势：首先是低廉的人力物力经济成本；其次具备及时性和灵活性；第三是高效的应急反应，可以在较为恶劣的气象条件下和灾难环境中完成任务；再者，无人机可以在云层下低空飞行（基于比例尺不同，飞行高度大致在350米-1800米左右），相对于载人飞机航飞因云层遮挡等影响几乎不存在，可以根据气象条件来调整作业时间已确保获得的高质量影像。此类服务已被广泛应用于城市规划建设、资源调查，矿山林业资源开发监测、大比例尺影像获取、地质灾害监测、新农村建设、数字城市建设等方面。2010年8月10日，舟曲特大泥石流灾害发生后，在兰州军区空管部门的支持下，甘肃省测绘局组织在舟曲的无人飞机航摄系统起飞对灾区进行了航空摄影，成功获取到灾区10平方千米、0.15米分辨率的灾后航空影像。有关部门以此为基础，进行科学决策，确定优先救治的区域；也能够了解灾区的道路、地形等信息，确定如何安排救援路线，布置灾民临时安置点等等。对辅助灾情评估，做出科学决策，对灾后重建规划和建设都发挥了重要作用。随着我局地勘数字化战略进程的不断加快，无人机航测遥感系统将会在我局数字化进程建设中发挥更大的保障作用。实现按需要组织飞行的目标，是我们最紧迫的任务。开展对无人飞行器或有人轻型飞机航空摄影系统成图精度的研究，是实现这一目标的有效初步途径。飞行自动控制、数字传感器小型化等关键技术的突破以及国家低空空域有序开放的政策调整指引，为低空无人驾驶的航空摄影系统成图精度的研究带来了新的契机。低空无人航空摄影系统的研究面临着测量精和性价比两大难题。为此，从影像立体测图的要求出发，利用双翼无人机低速飞行的性能及其具有较好性价比的双翼低空无人机摄影系统，获得厘米级分辨率的数字航空影像，满足和地形图测绘要求，是我们的期望。国内技术现状是无人航空摄影与影像测量技术独特的优势，在于解决小区域、大比例尺的成图问题，尤其是在小区域，航空摄影测量的任务中，传统的航空摄影测量技术无能为力，是因为存在运行成本高、影像分辨率低和成图精度差等方面的问题。目前小区域大比例尺成图的技术状态，依然是作业员“跑到哪，测到哪”。小区域大比例尺地形图测绘是一个最容易发挥无人机航空摄影独特优势的应用领域，而且需求巨大。近几年固定翼无人飞机航空摄影系统的研究成果备受瞩目并已大量投入市场。因此，应加快保障测绘应急服务能力，完善技术体系，创新服务模式；充分利用现存的测绘成果资料的技术手段，快速获取基础地理信息，加快开展区域大比例尺地形图的绘制；建设区域基础地理信息平台，通过简单有效的方式开发独具特色的固定翼无人机航摄服务系统，使测绘保障能力和服务水平全面提升，为地勘业发展提供可靠、适用、及时的测绘保障。 并且这类项目的实施，也同时为测绘工作提出了广阔的发展空间，拓宽了测绘服务的渠道，拓展了测绘应用领域，为推动测绘事业发展提供了重要的机遇。 多年来全国测绘系统主要测制国家基本比例尺地图，目前1100万、150万、110万地形图已覆盖全国陆地国土面积，15万地形图覆盖全国陆地面积的80.2%，11万地形图覆盖陆地国土面积的44%。12000及更大比例尺地形图只覆盖部分城镇，而农村地区却很少覆盖。特别在甘肃省，大多地形复杂、控制点稀少、数字影像覆盖范围小，基础测绘资料相当薄弱，这种状况严重制约了区域地质调查的测绘保障服务和其它测绘项目实施。随着测绘技术的不断发展，卫星遥感、航空遥感成为了现阶段收集基础测绘资料的最大规模、最现代化的技术手段。卫星遥感系统、普通航空遥感系统和轻小型航空遥感系统都是遥感领域的重要组成部分。但是，卫星遥感和普通航空遥感难以满足11000、1500测图精度；普通航空遥感灵活机动性差、效率较低；依靠地面实地11000、1500测图效率低、周期长、成本高。而高精度轻小型航空遥感具有精度高、成本低、效率高等优点，成为了获取高精度小面积遥感数据的最有效手段。目前在卫星遥感、大型航空遥感获得国家大量投入并蓬勃发展的情况下，迫切需要建设高精度轻小型航空遥感系统，这对于发挥测绘保障工作的作用具有十分重大的意义。 二、研究方案1、目标目前，全省开展农村地籍调查，急需大比例尺航空影像作为底图。由于村级行政单位分布广、每个村的成图面积小，采用卫片制作正射影像分辨率难以达到要求，采用传统航空摄影方法成本又过高，采用地面测量的方式周期又过长。对此，采用测量型无人机航摄系统进行大比例尺航空摄影，获取村级行政单位的0.05米分辨率影像，其突出的作业能力和良好的转场能力特别适合小区域大比例尺航空影像的获取。农村地籍调查采用无人机航摄成果制作底图的生产试验若取得成功，可解决以往只能依靠传统航空摄影成果和人工进行实地调查的难题，大大节约人力和资金成本，缩短调查周期。目前开展的武都区、卓尼县农村集体土确权登记发证工作任务重，地形地质环境差，交通较为不便。11000地籍图的获取是此类项目的主要工作，如何快速地得到农村11000地籍图成为能否完成该项目的瓶颈，传统的人工测图模式显然不能满足需要。利用成熟的无人机航摄系统，对偏远山区的村镇实施低空摄影，获取现势性最好的彩色数码影像，应用武汉适普无人机航测软件进行空三加密，从而得到数字线划图和正射影像图，外业再配合以GPS实地测量，控制成图精度，最终获取符合要求的11000地籍图。2、拟采取的方法、技术路线及可行性分析无人机航摄系统是以无人机为飞行平台，利用高分辨率相机系统获取遥感影像，利用空中和地面控制系统实现影像的自动拍摄和获取，同时实现航迹规划和监控、信息数据压缩和自动传输、影像预处理等功能，足具有高智能化程度、稳定可靠、作业能力强的低空遥感系统。该系统包含：机载飞控、地面站、通讯设备。作为无人机的飞行控制核心设备，其主要任务是利用等导航定位信号，通过测定无人机在飞行中的俯仰、横滚、偏航、位置、速度、高度、空速等信息，以及接收处理地面发射的测控信息，对无人机进行数字化控制，控制无人机按照预定的航迹飞行，使其具有自主智能超视距飞行的能力。地面站系统地面控制系统软件在无人机飞行前进行任务航线规划，在飞行过程中显示飞行区域的航迹、电子地图以及飞行参数和飞机的姿态等参数。飞行过程中，所有飞行参数和导航数据实时下传。操作者则在地面计算机上监视飞行状态，并根据航迹规划和路径调整来控制各种任务的执行。航拍摄像系统为多种小型遥感传感器提供了搭载平台，便于拓展监测功能，以满足多种快速监测所需，可以根据需要更换搭载设备。目前国内无人机航摄系统一般搭载相机，相机分辨率万，影像幅面，像元大小。影像处理软件采用武汉适普VirtuoZo航测数据处理系统软件处理无人机影像，或使用其它遥感影像处理软件进行后期处理，生成相应的数字正射影像及所需产品。由于数码相机不是摄影测量的专业相机，因此拍摄到的数字图像存在光学畸变误差，像点坐标需要进行畸变差改正。主要作业流程为：1）测区地形及测区气象条件分析；2）选择飞机及相机；3）影像质检；4）内业处理（建立工程、自动匹配、空三解算、无缝测图）；5）外业调绘；6）内业编辑；7）质检。分析测区地形，查清测区内的山系、水系、城区分布、高程建筑、军事设施等情况；查清测区的形状、大小，无人机起降场地；为航拍飞行规划作准备，根据地形和气象情况选择相应的机型，应注意以下几点：1）最大航高；2）抗风级别；3）最大航程；4）通讯距离；5）压航线的能力；6）飞行姿态控制能力；7）起降系统选择；8）无人机减震系统。航片质量的快速检测，包括：云、雾、霾；姿态、重叠度；拍摄参数；自动逐片检查畸变等。建立工程，进行必要的预处理；组建工程，恢复影像的逻辑关系，并将影像参数输入处理系统。自动匹配，规模化生产的核心过程之一，有以下几个指标：（1）自动化程度100%；（2）正确率99.99%；（3）精度 0.5象素；（4）成功率100%。然后进行全自动空三匹配和空三串点。空三解算，（1）控制加密点和像控点精度比例；（2）模型收敛情况；（3）合理分区；（4）粗差探测能力；（5）像控分组。无缝测图，武汉适普VirtuoZo航测数据处理系统可以单兵作业，也可以多人网络无缝协同作业；以测区为单位进行空三成果的无缝管理；以坐标系统为基础的矢量数据生产的无缝作业，免去地形图的接边烦恼；可以实时监督管理作业员的作业进度和作业成果的质量；可以由用户自定义代码、符号、绘制方式、入库标准，实现测数据无缝入库。无人机的优势无人机航摄系统在建筑物密集地区、地形复杂的丘陵地区、云雾较多地区或雨雾季节较常规航空摄影方法更为适应，成本相对较低。由于无人机搭载有高精度数码成像设备，而且飞行高度为超低空飞行，因此获取的图像空间分辨率可达到分米级或更高，能够满足或更大比例尺遥感应用。但是其获取的影像存在像幅小、数量多、基线短、重叠度不规则且倾角过大等问题。无人机飞行系统具有快速响应的能力，在需要航拍某一区域时，选择一个适合无人机起飞和降落的地方，根据事先规划好的航线或现场进行航迹策划，就能进行飞行和影像拍摄工作。与卫星遥感影像相比，无人机拍摄影像具有如下优势：（）时相性好，即现势性强；（）分辨率高（通常为0、0或更高）；（）清晰度好；（）立体像对且重叠度大；（）自主性强；（）可以量测。无人机航摄系统适合生产大比例尺地形图，能够制作大比例尺数字高程模型（）、数字正射影像图（）和数字线划图（）。尤其适合的各种比例尺地形图及相应产品的生产，特别适宜于产品的生产。3、本项目的创新点首次将固定翼无人机配合非量测数码相机航摄系统应用于、大比例尺成图项目中，大幅度提高工作效率，降低生产成本，也为区域地勘测绘保障服务开辟了一条新路。4、年度研究计划及进度安排2013年，以武都区、卓尼县农村地籍测量项目为依托，完成设备购置、培训试验、现场航摄、内业处理、外业调绘、内业再编辑地籍图、外业检核及精度验证等。具体进度安排如下：2013年元月，完成设备调研购置及培训工作；2013年2月，完成现场试验工作；2013年3月至2013年10月，根据需要分区域实施两县区村镇航摄工作，并分组进行内业处理、外业调绘；2013年11月至2013年12月15日，内业编辑成图；2013年12月16日至2013年12月31日，完成外业检查验证工作。5、预期成果 研究以固定翼无人机配合非量测相机航摄影像进行大比例尺地形图测量的解决文案及成图精度分析验证，并切实解决武都、卓尼两县区农村地籍测量中存在着的影响项目进度和效率的瓶颈问题，为将来小区域地勘项目启动快速测绘保障服务提供可参照的方案。三、经费概算经费来源预算经费支出预算科 目预算数（万元）科 目预算数（万元）来源预算合计60支出预算合计601、局科研拨款501、专用仪器设备费502、单位自筹102、其他相关费用10四、项目组主要成员项目负责人姓 名性别年龄职务职称专业为本项目工作时间(%)在项目中分担的任务所在单位胡润强男45高级工程师测绘100技术指导、分析研究甘肃煤田地质局综合普查队主要研究人员史文治男43高级工程师测绘100项目负责甘肃煤田地质局综合普查队张小宁男28助理工程师测绘100数据采集、数据处理及分析研究甘肃煤田地质局综合普查队马海安男25助理工程师